超級電容基本原理

超級電容器原理及電特性超級電容器原理及電特性超級電容器是一種高能量密度的無源儲能元件，隨著它的問世，如何應(yīng)用好超級電容器，提高電子線路的性能和研發(fā)新的電路、電子線路及應(yīng)用領(lǐng)域是電力電子技術(shù)領(lǐng)域的科技工作者的一個熱門課題。超級電容器的原理及結(jié)構(gòu)：1.1超級電容器結(jié)構(gòu)：超級電容器中，多孔化電極采用活性炭粉和活性炭和活性炭纖維，電解液采用有機(jī)電解質(zhì)，如丙烯碳酸脂(propylenecarbonate)或高氯酸四乙氨(tetraetrylanmmoniumperchlorate)。工作時，在可極化電極和電解質(zhì)溶液之間界面上形成了雙電層中聚集的電容量。其多孔化電極是使用多孔性的活性碳有極大的表面積在電解液中吸附著電荷，因而將具有極大的電容量并可以存儲很大的靜電能量，超級電容器的這一特性是介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間。電池相較之間，盡管這能量密度是5%或是更少，但是這能量的儲存方式，也可以應(yīng)用在傳統(tǒng)電池不足之處與短時高峰值電流之中。這種超級電容器有幾點(diǎn)比電池好的特色。1.2工作原理：超級電容器是利用雙電層原理的電容器，當(dāng)外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷，負(fù)極板存儲負(fù)電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。當(dāng)兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)(通常為3V以下)，如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級電容器放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應(yīng)減少。由此可以看出：超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。1.3超級電容器主要特點(diǎn)：.電容量大，超級電容器采用活性炭粉與活性炭纖維作為可極化電極與電解液接觸的面積大大增加，根據(jù)電容量的計算公式，那么兩極板的表面積越大，則電容量越大。因此，-般雙電層電容器容量很容易超過1F，它的出現(xiàn)使普通電容器的容量范圍驟然躍升了3??4個數(shù)量級，目前單體超級電容器的最大電容量可達(dá)5000F。.充放電壽命很長，可達(dá)500000次，或90000小時，而蓄電池的充放電壽命很難超過1000次。.可以提供很高的放電電流(如2700F的超級電容器額定放電電流不低于950A，放電峰值電流可達(dá)1680A，一般蓄電池通常不能有如此高的放電電流一些高放電電流的蓄電池在雜如此高的放電電流下的使用壽命將大大縮短。.可以數(shù)十秒到書分鐘內(nèi)快速充電，而蓄電池再如此短的時間內(nèi)充滿電將是極危險的或幾乎不可能。.可以在很寬的度范圍內(nèi)正常工作(-40??+70°C)而蓄電池很難在高特別是低環(huán)境下工作。.超級電容器用的材料是安全的和無毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池軍具有毒性。.等效串聯(lián)電阻ESR相對常規(guī)電容器大(10F/2.5V的ESR為110mQ)o.可以任意并聯(lián)使用一增加電容量，如采取均壓后，還可以串聯(lián)使用。超級電容器特性：2.1額定容量：單位：法拉（F）,測試條件：規(guī)定的恒定電流（如1000F以上的超級電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A）充電到額定電壓后保持2??3分鐘，在規(guī)定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時間與電流的乘積再除以額定電壓值，由于等效串聯(lián)電阻（ESR）比普通電容器大，因而充放電時ESR產(chǎn)生的電壓降不可忽略，如2.7V/5000F超級電容器的ESR為：0.4mQ，在100A電流放電時的ESR電壓降為40mV占額定電壓的1.5%，在950A電流放電時的ESR電壓降為380mV占額定電壓的14%，表明在額定電流下放電容量將為額定容量減小88.5%。2.2額定電壓：可以使用的最高安全端電壓（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久將來的3V），除此之外還有承受浪涌電壓電壓（可以短時承受的端電壓，通常為額定電壓的105%），實際上超級電容器的擊穿電壓遠(yuǎn)高于額定電壓（約為額定電壓的1.5倍左右，與普通電容器的額定電壓/擊穿電壓比值差不多。2.3額定電流：5秒內(nèi)放電到額定電壓一半的電流，除此之外還有最大電流（脈沖峰值電流）。2.4最大存儲能量：在額定電壓是放電到零所釋放的能量，以焦耳（J）或瓦時（Wh）為單位。2.5能量密度：最大存儲能量除以超級電容器的重量或體積（Wh/kg或Wh/l）。2.6功率密度：在匹配的負(fù)載下，超級電容器產(chǎn)生電/熱效應(yīng)各半時的放電功率，用kW/kg或kW/l表示。2.7等效串聯(lián)電阻：測試條件：規(guī)定的恒定電流（如1000F以上的超級電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A）和規(guī)定的頻率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串聯(lián)電阻。通常交流ESR比直流ESR小，隨度上升而減??；超級電容器等效串聯(lián)電阻較大的原因是：為充分增加電極面積，電極為多孔化活性炭，由于多孔化活性炭電阻率明顯大于金屬，從而使超級電容器的ESR較其它電容器的大。2.8阻抗頻率特性：超級電容器的阻抗頻率特性如圖4,相對較大的是ESR造成平坦底部的原因，超級電容器的頻率特性是電容器中頻率特性最差的。其原因是：一般電容器的電荷是導(dǎo)體中的以電子導(dǎo)電方式建立或泄放，而超級電容器的電荷的建立或泄放是以介質(zhì)中的離子或介質(zhì)電離極化實現(xiàn)，響應(yīng)速度相對慢；大容量電容器在制造時均采用卷繞工藝，寄生電感相對無感電容器大。2.9工作與存儲度：通常為-40°C??+60°C或70°C，存儲度還可以高一些。2.10漏電流：一般為10gA/F2.11壽命：在25C環(huán)境度下的壽命通常在90000小時，在60C的環(huán)境度下為4000小時，與鋁電解電容器的度壽命關(guān)系相似。壽命隨環(huán)境度縮短的原因是電解液的蒸發(fā)損失隨度上升。壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為：電容量低于額定容量20%，ESR增大到額定值的1.5倍。2.12循環(huán)壽命：20秒充電到額定電壓，恒壓充電10秒，10秒放電到額定電壓的一半，間歇時間：10秒為一個循環(huán)。一般可達(dá)500000次。壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為：電容量低于額定容量20%，ESR增大到額定值的1.5倍。2.13發(fā)熱：超級電容器通過紋波電流（充、放電）時，回發(fā)熱，其發(fā)熱量將隨著紋波電流的增加而。超級電容器發(fā)熱的原因是紋波電流流過超級電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）產(chǎn)生的功率（能量）損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。由于超級電容器的（ESR）較大，因此在同樣紋波電流條件下發(fā)熱量比一般電容器大。使用時應(yīng)注意。注意事項：超級電容器在串聯(lián)應(yīng)用時特別是較大電容量是應(yīng)采用均壓技術(shù)以保證每一個超級電容器單體端電壓再額定電壓內(nèi)，目前國內(nèi)已有各種規(guī)格的超級電容器均壓電路商品。國內(nèi)外狀況：超級電容器通常耐壓為2.5-3V，也有耐壓為1.6V的產(chǎn)品。主要有美國、德國、日本、韓國、俄羅斯和中國等國家生產(chǎn)。比較知名的公司有：Maxweii、Epcos、Nesscep、ELNA、NEC、松下等。我國有錦州超容等企業(yè)，從容量上看有機(jī)系的國外達(dá)到U2.7V/5000F，國內(nèi)的錦州超容接近這一水平。體積在逐年減小，120F/2.7V已做到直徑20毫米高40毫米，3F/2.7V直徑8毫米高20毫米。ESR在小容量中接近0.3Q.F，大容量接近0.45Q.F，0.5Q.F。能量密度和功率密度分別達(dá)到5.82Wh/kg、7.11Wh/l、5.24Kw/kg、6.4kW/l，循環(huán)壽命和壽命分別達(dá)到500000次和90000小時。產(chǎn)品范例一、 用于內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)的啟動，提供啟動瞬間強(qiáng)大的脈沖電流，其線路原理如下圖：D選2000A、1000V，T選300A、1000V，R選0.25-0.35歐，啟動時按下IQA,T導(dǎo)通，C在45S內(nèi)被充滿，在45S左右時QC閉合，柴油機(jī)啟動（某些小功率機(jī)車不能滿足45S條件時，可加裝延時繼電器），東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車裝配4只96V、8.2F超級電容器，啟動瞬間可提供2250A的電流，從而抑制了蓄電池的最大電流不超過1000A（蓄電池單獨(dú)啟動時，需輸出2100A電流），同時使啟動時間縮短2秒鐘左右。圖2、圖3為加裝超級電容前后，蓄電池及超級電容啟動電流曲線。其使用效果：1、 大大減小了啟動電流對蓄電池的沖擊，延長了蓄電池的壽命。2、 減少了因電池虧電而造成的機(jī)破、臨修，特別是冬季理加明顯。3、 可根據(jù)工況隨意停、啟機(jī)，減少柴油機(jī)空轉(zhuǎn)及啟動時的燃油消耗，降低了機(jī)械磨損，節(jié)約材料費(fèi)用（調(diào)車工況下的節(jié)油，一年內(nèi)可收回加改投資）。4、 減少空氣污染，保護(hù)環(huán)境，減輕職工勞動強(qiáng)度，改善乘務(wù)員操作。二、 用于變配電站直流系統(tǒng)及開關(guān)永磁機(jī)構(gòu)操作電源。在變配電站直流屏柜中的應(yīng)用原理如圖4、圖5,所用超級電容為280V、0.85F，虛框內(nèi)為加入部分，圖4應(yīng)用特點(diǎn)：1、 結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無維修，在停電后可保證近千次的分閘，保證作用絕對可靠。2、 停電情況下，兩只電容器能實現(xiàn)十余次的合閘，可實現(xiàn)雙路供電的自動備投。在進(jìn)行設(shè)備例行實驗合閘時，不需回調(diào)電壓。3、 兩只超級電容同時工作，互為熱備，從而保證一只有問題時，不影響另一只的正常工作。還可以在系統(tǒng)正常工作的情況下檢查發(fā)現(xiàn)問題電容并更換，保證工作百分之百可靠。4、 新設(shè)計制造的直流屏，還可以減小電源變壓器的容量至5KVA左右，在VD5支路串一電感，從而降低成本。[url=應(yīng)用實例：/pop/b1.htm]應(yīng)用實例：/pop/b1.htm[/url]圖5的應(yīng)用是與蓄電池組組成復(fù)合電源，合閘電流不再沖擊蓄電池，延長其壽命，還可選擇非高倍率一類的蓄電池，降低電源成本，這種復(fù)合電源具有雙電源特點(diǎn)，可靠性高。用于高壓開關(guān)永磁操動機(jī)構(gòu)的操動電源可裝于開關(guān)總體中，解決大功率問題，其規(guī)格體積可隨開關(guān)而定。三、 超級電容在新一代電動車中，用于解決